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La energía es un factor que determina la economía, la infraestructura, el
transporte y el nivel de vida de un país. El problema que se enfrenta a nivel
mundial es la disparidad entre el consumo y la disponibilidad de energía (lo
cual no sólo involucra la cantidad de éstas sino los lugares donde se produce y
sus condiciones socioculturales, lo cual normalmente desencadena en conflictos
bélicos) (Manoharan et al.,
2019).
Todas las naciones actualmente dependen de los combustibles fósiles para la
producción de energía, y estos combustibles fósiles no son fuentes sostenibles.
Para satisfacer las demandas de energía de la población mundial que crece más
rápidamente, es esencial actualizarse a una fuente de energía alternativa y
sostenible que no afecte negativamente al medio ambiente (Manoharan et al.,
2019).
En las últimas décadas, Estados Unidos ha puesto énfasis en el impacto
ambiental del sector del transporte y en la reducción de la dependencia del
petróleo. El agotamiento de los combustibles convencionales no renovables es
uno de los principales problemas del escenario energético moderno y geopolítico,
lo que hace que el estado de la industria energética sea insostenible, y
también causa problemas ambientales como el efecto invernadero. Hoy en día, la
proporción del uso de combustibles fósiles sigue siendo alta y se prevé que
representará aproximadamente el 75 % de la producción de energía en 2050 (Manoharan et al.,
2019).
En general, el escenario energético actual tiene muchas desventajas. Sin
embargo, existen muchas fuentes de energía sostenibles, y si su uso aumenta, el
escenario será mucho más optimista para las generaciones futuras. Los
ambientalistas pronostican que el peor de los escenarios del calentamiento
global y sus efectos no se alcanzará debido a diferentes iniciativas. En las
últimas dos décadas, los vehículos se han vuelto más eficientes en combustible
y los vehículos eléctricos híbridos se están volviendo más comunes. Una de las
alternativas de más rápido crecimiento en los vehículos es la electricidad. Al
igual que con las fuentes de energía convencionales como el petróleo y el
carbón, la electricidad no es una fuente de energía primaria.
Una batería totalmente cargada es un portador de energía. Los
vehículos eléctricos de batería (BEV) son muy eficientes para convertir la
energía de la red en fuerza de tracción, y pueden recuperar energía durante la
conducción utilizando el frenado regenerativo. Un inconveniente importante de
los BEV es que, por lo general, tienen una autonomía limitada debido al tamaño
y el costo de las baterías necesarias para los requisitos de potencia y energía
del vehículo. El “repostaje” de los sistemas de baterías también puede llevar
varias horas, en lugar de unos pocos minutos con un vehículo convencional (CV).
Para utilizar las ventajas de los vehículos eléctricos y convencionales y
cerrar la brecha entre CV y BEV, se considera una alternativa (Manoharan et al.,
2019).
El hidrógeno es un portador de energía química que tiene la
capacidad de producir electricidad hasta 39.39 kWh/kg, lo que supera la
densidad energética de la mayoría de las baterías (Manoharan et al.,
2019). De hecho, en la
sección anterior se observa a los valores de combustible, observará que el
hidrógeno posee un valor de combustible de 142 kJ/g mientras que la gasolina
sólo alcanza 48 kJ/g, lo cual implica necesariamente que, como portador de
energía, el hidrógeno puede almacenar energía más eficientemente que
cualquier combustible conocido hasta el momento.
Una celda de combustible (FC) tiene una analogía directa con un motor de
combustión interna (ICE). Un ICE convierte la energía química almacenada en el
combustible suministrado al motor para producir energía mecánica rotacional. La
energía de rotación producida se usa para impulsar un vehículo o se concentra a
través de un generador y se convierte en energía eléctrica. Un FC actúa de la
misma manera que un ICE en el sentido de que la energía química se convierte
directamente en energía eléctrica en el FC, pero en un proceso respetuoso con
el medio ambiente pues el gas producido es vapor de agua en lugar de dióxido de
carbono. A diferencia de una batería que se agota mientras se usa para
alimentar componentes eléctricos, los motores de combustión interna y las
celdas de combustible actúan como fuentes de energía continuamente operativas siempre
que se les suministre combustible. Por lo tanto, se proyecta que la celda de
combustible de hidrógeno pueda superar las desventajas de los BEV, convirtiendo
al hidrógeno en el combustible de transporte del futuro (Manoharan et al.,
2019).
Combustible
de hidrógeno
El hidrógeno es la forma más simple de todas las moléculas; tiene el
contenido de energía más bajo por volumen, pero tiene el contenido de energía
más alto de cualquier combustible por peso. Esta aparente paradoja se debe a
que el hidrógeno es muy poco denso, y por lo tanto se puede almacenar mucha
cantidad química de él, es decir muchos moles, en una cantidad de espacio muy
pequeña (Manoharan et al.,
2019).
Está disponible en la atmósfera como gas y en el agua como líquido. Debido
al alto contenido energético del hidrógeno, se emplea como combustible en
aplicaciones como celdas de combustible y cohetes. El hidrógeno genera cero
emisiones nocivas, que es uno de los inconvenientes más importantes de los
combustibles fósiles, y el poder calorífico del hidrógeno es tres veces mayor
que el del petróleo (Manoharan et al.,
2019).
El principal problema del hidrógeno es que no viene prefabricado por un
proceso natural que lo genere en enormes cantidades, como sí sucede con la
gasolina, que se puede refinar fácilmente desde el petróleo. Con el hidrógeno
la cosa es más complicada pues debemos meter energía a otras sustancias para
extraerlo. Hay un alto costo de producción involucrado con el hidrógeno, ya que
es un combustible hecho por el hombre, que cuesta aproximadamente tres veces
más que la refinación de petróleo (Manoharan et al.,
2019).
Se dedican cantidades sustanciales de investigación a crear una forma
eficiente y sostenible de producir hidrógeno y aplicaciones para el
hidrógeno en los motores de transporte. Los fabricantes de automóviles como
Honda, Toyota y Hyundai han comenzado a fabricar vehículos de pila de
combustible (FCV) con hidrógeno como combustible. Estos FCV están disponibles
actualmente en América del Norte, Asia y Europa, y han sido adquiridos
principalmente por los primeros usuarios. Los consumidores actuales, los
primeros en adoptar, son principalmente personas con un alto nivel educativo,
familias de altos ingresos, aquellos con unidades familiares más grandes,
aquellos que están dispuestos a cambiar su estilo de vida y aquellos con otros
atributos similares (Manoharan et al.,
2019).
Hasta junio de 2018, se han vendido más de 6500 FCV a los consumidores.
California es el mercado líder para FCV, con casi 3000 FCV entregados allí de
los 5233 vehículos vendidos a nivel mundial debido a que el estado alberga la
red más grande de estaciones de servicio de hidrógeno en el mundo y los fabricantes
de automóviles venden los vehículos allí. En la actualidad, varios fabricantes
de automóviles están promocionando los FCV entre los consumidores, que a menudo
se comparan con los BEV. Tanto los BEV como los FCV ofrecen cero emisiones del
tubo de escape, la capacidad de alimentarse con fuentes de energía renovables y
sostenibles y utilizar motores eléctricos. Las diferencias más notables entre
los FCV y los BEV son la autonomía de conducción y el estilo de repostaje. Los
FCV tienen un rango de manejo de más de 300 millas y se pueden repostar en
menos de 10 minutos en una estación de reabastecimiento de hidrógeno, que es
más comparable a un vehículo tradicional ICE impulsado por combustibles fósiles
(Manoharan et al.,
2019).
El hidrógeno tiene un mayor potencial para su uso como combustible en el
futuro. Se estima que, para el año 2030, el costo de las celdas de combustible
será competitivo con los ICE en función de las mejoras tecnológicas que se
están realizando y la mayor disponibilidad [14]. Uno de los principales obstáculos
que enfrenta el uso masivo de hidrógeno es un almacenamiento más eficiente.
Debido a la baja densidad del hidrógeno, no se puede almacenar tan fácilmente
como los combustibles fósiles tradicionales, eso se debe a que si abres descuidadamente
un contenedor con hidrógeno el gas se va a escapar, y si hay una leve chispa, te
tendrán que recoger con espátula del piso después de ser calcinado por la
explosión (Manoharan et al.,
2019).
El hidrógeno requiere compresión, enfriamiento o una combinación de ellos.
El método más favorable de almacenamiento de hidrógeno es la contención física,
específicamente en tanques comprimidos, porque están fácilmente disponibles. Se
utilizan principalmente todos los compuestos (Tipo IV) y, a veces, se utilizan
compuestos revestidos de metal (Tipo III). El tiempo de llenado de estos
tanques es competitivo con el de los combustibles fósiles cuando el hidrógeno
se enfría previamente (Manoharan et al.,
2019).
El costo es el principal inconveniente para el uso a gran escala de tanques
de hidrógeno comprimido (CH2), debido a que el material y el montaje
son caros. Otro revés potencial es la preocupación del público por el uso de
tanques de almacenamiento de alta presión (70 MPa) en los vehículos [16]. Una
alternativa a los tanques de CH2 tradicionales que aún se está
investigando es un tanque con un esqueleto interno, que es un diseño complejo
de puntales en tensión dentro del tanque para resistir las fuerzas del gas
comprimido. El almacenamiento de hidrógeno líquido (LH2) ha mejorado
significativamente, logrando la mejor masa específica (15 %) de cualquier otro
sistema de almacenamiento de hidrógeno automotriz. La eficiencia energética
disminuye cuando se utiliza hidrógeno líquido. La ebullición es un área que
necesita mejoras antes de que los sistemas LH2 puedan ser ampliamente
aceptados. Un diseño alternativo prometedor es un tanque criocomprimido en el
que el hidrógeno está altamente comprimido a temperaturas criogénicas. Se deben
realizar más estudios sobre este método para determinar la durabilidad a largo
plazo y la aceptación pública del sistema.
Los sistemas de almacenamiento de hidruros requieren una investigación y un
progreso sustanciales para cumplir con los requisitos para el uso a gran escala.
El hidruro mejor estudiado es NaAlH4, pero no tiene la capacidad
necesaria para su aplicación. En base a los resultados de los pocos estudios
existentes, se indica que se podrían construir tanques sin elementos internos
de transferencia de calor basados en el moderado calor de absorción del
hidrógeno en las superficies (Manoharan et al.,
2019).
Aunque la presencia de hidrógeno es abundante en la atmósfera, no se
encuentra en la forma más pura. El hidrógeno se puede extraer del agua,
combustible de hidrocarburo, sulfuro de hidrógeno y otros elementos químicos.
La energía que se utiliza para producir hidrógeno a partir de sus elementos
asociados requiere energía externa, como energía térmica, eléctrica, fotónica y
bioquímica. El amoníaco, tiene un alto porcentaje de hidrógeno en su interior y
se propuso como combustible para motores de combustión interna a través de la
descomposición a bordo en hidrógeno y nitrógeno (Manoharan et al.,
2019).
El hidrógeno se puede extraer de fuentes de energía renovables o no renovables.
La producción de hidrógeno a partir de energías renovables siempre es
respetuosa con el medio ambiente, mientras que el hidrógeno producido a partir
de fuentes no renovables emite gases de efecto invernadero (GEI). La producción
de hidrógeno a partir de la biomasa residual mediante reacciones
electroquímicas es libre de GEI y no requiere una gran cantidad de energía ni
altos costos de producción. Las posibles materias primas de biomasa son los
residuos de pan, el aserrín de ciprés y la paja de arroz. Similar a estos, el
periódico podría usarse para producir hidrógeno por electrólisis directa. El
papel periódico está compuesto por 69.2 % de celulosa y 11.8 % de lignina, y se
descompone en monosacáridos y disacáridos, así como en cetoácido alifático en
el solvente H3PO4 en condiciones similares a las de la
electrólisis. El hidrógeno también puede generarse mediante la electrólisis del
metano humidificado (Manoharan et al.,
2019).
Una
fuente de energía eficiente
Como se ha recalcado anteriormente, el hidrógeno es sólo un portador de
energía, por lo que en últimos hay que extraerla de algún lado en donde ya
esté almacenada previamente en cantidades industriales, y además sea económico
y seguro de extraer. El hecho de que aún estemos anclados al sistema de
combustibles fósiles revela que aún no se tiene una respuesta clara para estos
inconvenientes, sin embargo, muchos en la comunidad científica esperamos que la
fusión nuclear sea la respuesta final.
Hay un dicho que dice que la fusión nuclear siempre está a dos décadas de
distancia, y revistas científicas como Nuclear Fusion de la Agencia
Internacional de Energía Atómica han relatado la larga “y lenta” evolución de
la energía de fusión. Dicho esto, en el año del 75 aniversario de Hiroshima y
Nagasaki, ITER, el experimento de fusión más grande del mundo, comenzó su
ensamblaje de máquinas, colocando así la energía de fusión dentro de la
planificación militar de largo alcance. El líder de al menos una gran potencia
mundial ahora enfatiza públicamente que la energía de fusión debe usarse con
fines pacíficos, una admisión tácita de la alternativa: el uso de la fusión
como arma, que paradójicamente fue la primera en alcanzarse durante la guerra
fría entre Estados Unidos y la Unión Soviética (Carayannis,
Draper, & Bhaneja, 2021).
La fusión de hidrógeno es un método ideal para generar energía. El
combustible de deuterio (el cual a su vez es un isótopo del hidrógeno, pero en
lugar de generar una reacción química de combustión, en este caso estamos
hablando de una reacción nuclear de fusión) está fácilmente disponible en el
agua de mar y el único subproducto es el helio. Al igual que una planta de gas,
carbón o fisión, una planta de fusión proporcionará energía de carga base
altamente concentrada durante todo el día. Sin embargo, la fusión no produce
emisiones de gases de efecto invernadero ni desechos radiactivos de larga
duración. El riesgo de accidentes con una planta de fusión es muy limitado: si
se pierde la contención, la reacción de fusión simplemente se detiene.
La energía de fusión está más cerca de lo que mucha gente cree. Podría
proporcionar una fuente de electricidad libre de carbono para la red,
desempeñando un papel clave a medida que EE. UU. y otras naciones descarbonizan
su infraestructura de generación de energía. En ese escenario la energía
producida por un reactor de fusión puede emplearse para extraer hidrógeno puro
de fuentes baratas como el agua de mar, en ese punto el hidrógeno puede
transportarse a la red de suministro de energía para los automóviles y para la
industria de una manera homóloga a cómo se hace con el combustible fósil. A
diferencia del combustible fósil, el agua de mar se encuentra disponible
fácilmente para la mayoría de las potencias económicas globales, por lo que la
importancia de países que poseen fuentes de combustibles fósiles a nivel
geopolítico disminuiría drásticamente, lo cual implicaría una caída abrupta en
los precios del petróleo.
Dos informes recientes publicados por la comunidad de fusión exponen las
formas en que EE. UU. puede llegar allí. En diciembre, el Comité Asesor de
Ciencias de la Energía de Fusión del Departamento de Energía de EE. UU. publicó
un informe que establece un plan estratégico para la investigación de la
ciencia del plasma y la energía de fusión durante la próxima década. Pide el
desarrollo y la construcción de una planta piloto de fusión para 2040. En
febrero de 2021, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina
(NASEM) publicaron un informe complementario que pedía acciones agresivas para
construir una planta de energía piloto. El informe de NASEM propone un diseño
para 2028 y una planta piloto de fusión en la línea de tiempo 2035-2040.
“El objetivo de trabajar a partir de esta línea de tiempo fue delinear
lo que se necesitaría para tener un impacto en la transición hacia la reducción
de las emisiones de carbono para mediados de siglo. Muchas inversiones y
actividades esenciales tendrían que comenzar ahora para cumplir con ese
cronograma”, dice Kathy McCarthy, Directora de la Oficina de Proyectos ITER
de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. “La experiencia que
estamos obteniendo de ITER en ingeniería integrada a escala de reactor es
invaluable para realizar un camino viable y práctico hacia la energía de fusión”.
